微波课件.ppt
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
三.圆波导中的三个主要波型 1.H11波(n=i=1)
讨论: ① 场结构
磁力线 电力线
②.单模问题 单模传输的条件：2.62a<λ<3.41a 存在极化简并：水平极化和垂直极化
磁力线 电力线
由于H11模存在极化简并，所以没有完全实 现波导的单模传输。
水平极化和垂直极化是两种不同的模式，传 输特性完全一致，不可能通过波导尺寸的选 择除去其中一个。在传输过程中，遇到不均 匀性时，两个模式不再简并，会使场结构的 极化面产生旋转
[1] 电子经过的地方有足够强的电场,且电场方向 与电子运动方向一致.这样,电场才能对电子起加 速或减速的作用,从而交换能量.
[2] 腔中电子穿过的作用间隙要小,以保证足够小 的渡越时间
根据以上要求,在微波管中采用的谐振腔有一个很 小的作用间隙,在其中集中了相当长的电场.满足 以上要求的谐振腔为环型谐振腔
根据安培环路定理有:
磁力线
注意:电力线与磁力线同相位 电力线
1.定义:电流强度
3.根据特性阻抗的定义: 4.平均功率损耗: 6.内导体单位长度上的损耗
同轴线中也存在高次模式 可以证明截止波长最大的色散模式为H11,且 有:
目前采用特性阻抗为75Ω和50Ω的两种同轴 传输线,前者决定于衰减最小,后者兼顾通过功 率大与衰减小的两个要求折中.
③波阻抗和特性阻抗
波导内为空气时的衰减系数（导体衰减）：
2. E01波 ①场表达式
②场结构
电力线 磁力线
场的特点:
① 轴对称性
② r=0 附近仅有z向的电场分量，这一特 点可有效的同轴向运动的电子交换能 量——电子直线加速器。
③ 壁电流仅有z向分量
3. H01波 n=0, i= 1 代入H波的场分量表达式:
结论: (1) 与腔的几何尺寸，工作模式有关 （2） 可以取无穷多个值，可以存在无 穷多个振荡模式。
（3） 最长的模式称为腔的主模。
（4）对TEM波， 长为λ0/2整数倍的TEM波传输系统，两段短路 时是微波谐振回路。
三.环型谐振腔
在微波电子管中,为了使电子与谐振腔中的高频电 场有效的相互作用,对谐振腔提出以下要求:
为了提高ω0,须减少L和C,回路尺寸要变小, 导致储能减少.
这种腔的电场和磁场已分布在整个腔内，分 不出哪是电场哪是磁场。
谐振腔的形式有多种多样。一般来说，任 何为导体所包围的空腔无论其形状如何，都可 以作为谐振腔。但实际上，常用腔的几何形状 往往都是有规则的，如矩形腔，圆形腔和同轴 腔。
谐振腔在微波波段起着LC回路同样的作用，取代 LC回路，但两者也有不同之处，一个重要的区别 为： LC 回路只有一个振荡模式和一频率f0 , 谐振腔有 无限多个谐振频率和无限多个谐振模式。
3-1 谐振腔的基本参数
一． 谐振波长λ0或（f0 ）
微波谐振腔可以在一系列频 率下产生电磁振 荡，电磁振荡的频率称为谐振频率或固有频 率，对应的谐振波长为微波谐振腔的重要参 量之一。 随着谐振器的种类不同，产生谐振的条件也 不同。
在直角坐标系中 规则波导的电场横向分量可表示为:
在 z=0, z=ι 处，电场的切向分量为零
TE01(H01)
1 3 5 7 9 11 13
TM01(E01)
f
2.4 同轴线 微波技术中所用同轴线按其结构可分为两种
1.硬同轴:外导体是一根铜管，内导体是同棒。 硬同轴中一般不填介质。可根据具体要求，自 己设计。
2.软同轴:内导体是单根或多股绞成的铜线，外 导体由细铜丝编织而成，中间填低损耗介质。 规格化的。
EXP: 隧道二极管、 体效应二极管、雪崩二极管(用于微波功率源)
b. 微波晶体管:只能工作于微波段的晶体 管,微波双极性晶体管和微波单极性晶体 管(微波场效应管)
2.微波真空器件:微波管
微波真空器件分为两大类:
a. 静态控制微波管.如超高频三、四极管 (工作原理与低频类似,仅对低频电子管 缩小尺寸).
§4.2 速调管
一 微波管工作的基础____ 电子流的能量交 换 对于任何电子管器件和振荡器,从能量的观点 看,它所要解决的基本问题,就是借助于运动的 电子从直流电源获得一定的能量,使电子加速. 转化为电子的动能,然后通过一定的装置将其 动能的一部分转换为高频场的能量(需放大或 振荡的波),在这个过程中,电子起着中间能量 传递着的作用,这一原理是微波管工作的基础.
磁力线 电力线
H01波的场结构
特点:
1 电场和磁场均有轴对称性,不存在极化简并, 但它与E11模式是简并的.
2. 电场只有ψ(角向)向分量,电力线都是横截面 内的同心圆.
3. 切向磁场只有z向分量,所以壁电流为角向 分量(沿ψ)
衰减系数 TE11(H11)
0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01
d<<ι
ι
r R ι<<λ
2r
2R 满足以上条件可认为其中最低模式的电场集中于腔口电 容内,磁场位于环形部分.可用准静态法计算
磁通量为
第四章 微波振荡源
§4.1 概述
微波电子器件包括两大类
1.微波半导体器件:微波二极管(体效应二极管, 雪崩二极管),微波晶体管
微波二极管:能够工作于微波波段的各种半导 体二极管
b. 动态控制微波管 EXP 速调管、行波管.其原理与“静 态控制”完全不同
微波管与微波半导体器件是两种性质完全不 同的微波电子器件，比较:
微波管: 优点：频率高,功率大,增益高,频带 宽.缺点：体积大制造工艺复杂,成本高
微波半导体器件: 体积小,重量轻,寿命长,制 作工艺简单,成本低.但频率低,功率不易提高.
同轴线是双导体系统,可以存在TEM波,又可 以存在TE,TM波型.TEM波是基波,没有截止 现象,它的传输不受频率的限制.当同轴线的 横向尺寸过大时,将出现高次模,TM波和TE 波.
d D
一.同轴线中的TEM波 1.场表达式
电磁场所满足的方程与二维静电场,稳恒磁场 的方程一致,所以场分布也应一致. 设:沿z向传播的场分量为:
2.5 微带传输线简介 绝缘介质
带状线 导体 导体：铜 介质：氧化铝、铁氧体等
微带线
带状线的波型由同轴线演变得到(P302) 微带线的波型由双根传输线演变得到(P301) 所传输的波行为TEM波
微带线不是用来作为传输电磁波能量的馈线， 他的主要用途是制作微波集成电路的元、部 件
第三章 微波谐振腔 随着频率的升高,低频LC振荡电路出现下列 缺点: 1. 损耗增加,导致品质因数降低。 2. 尺寸变小。
讨论: ① 场结构
磁力线 电力线
②.单模问题 单模传输的条件：2.62a<λ<3.41a 存在极化简并：水平极化和垂直极化
磁力线 电力线
由于H11模存在极化简并，所以没有完全实 现波导的单模传输。
水平极化和垂直极化是两种不同的模式，传 输特性完全一致，不可能通过波导尺寸的选 择除去其中一个。在传输过程中，遇到不均 匀性时，两个模式不再简并，会使场结构的 极化面产生旋转
[1] 电子经过的地方有足够强的电场,且电场方向 与电子运动方向一致.这样,电场才能对电子起加 速或减速的作用,从而交换能量.
[2] 腔中电子穿过的作用间隙要小,以保证足够小 的渡越时间
根据以上要求,在微波管中采用的谐振腔有一个很 小的作用间隙,在其中集中了相当长的电场.满足 以上要求的谐振腔为环型谐振腔
根据安培环路定理有:
磁力线
注意:电力线与磁力线同相位 电力线
1.定义:电流强度
3.根据特性阻抗的定义: 4.平均功率损耗: 6.内导体单位长度上的损耗
同轴线中也存在高次模式 可以证明截止波长最大的色散模式为H11,且 有:
目前采用特性阻抗为75Ω和50Ω的两种同轴 传输线,前者决定于衰减最小,后者兼顾通过功 率大与衰减小的两个要求折中.
③波阻抗和特性阻抗
波导内为空气时的衰减系数（导体衰减）：
2. E01波 ①场表达式
②场结构
电力线 磁力线
场的特点:
① 轴对称性
② r=0 附近仅有z向的电场分量，这一特 点可有效的同轴向运动的电子交换能 量——电子直线加速器。
③ 壁电流仅有z向分量
3. H01波 n=0, i= 1 代入H波的场分量表达式:
结论: (1) 与腔的几何尺寸，工作模式有关 （2） 可以取无穷多个值，可以存在无 穷多个振荡模式。
（3） 最长的模式称为腔的主模。
（4）对TEM波， 长为λ0/2整数倍的TEM波传输系统，两段短路 时是微波谐振回路。
三.环型谐振腔
在微波电子管中,为了使电子与谐振腔中的高频电 场有效的相互作用,对谐振腔提出以下要求:
为了提高ω0,须减少L和C,回路尺寸要变小, 导致储能减少.
这种腔的电场和磁场已分布在整个腔内，分 不出哪是电场哪是磁场。
谐振腔的形式有多种多样。一般来说，任 何为导体所包围的空腔无论其形状如何，都可 以作为谐振腔。但实际上，常用腔的几何形状 往往都是有规则的，如矩形腔，圆形腔和同轴 腔。
谐振腔在微波波段起着LC回路同样的作用，取代 LC回路，但两者也有不同之处，一个重要的区别 为： LC 回路只有一个振荡模式和一频率f0 , 谐振腔有 无限多个谐振频率和无限多个谐振模式。
3-1 谐振腔的基本参数
一． 谐振波长λ0或（f0 ）
微波谐振腔可以在一系列频 率下产生电磁振 荡，电磁振荡的频率称为谐振频率或固有频 率，对应的谐振波长为微波谐振腔的重要参 量之一。 随着谐振器的种类不同，产生谐振的条件也 不同。
在直角坐标系中 规则波导的电场横向分量可表示为:
在 z=0, z=ι 处，电场的切向分量为零
TE01(H01)
1 3 5 7 9 11 13
TM01(E01)
f
2.4 同轴线 微波技术中所用同轴线按其结构可分为两种
1.硬同轴:外导体是一根铜管，内导体是同棒。 硬同轴中一般不填介质。可根据具体要求，自 己设计。
2.软同轴:内导体是单根或多股绞成的铜线，外 导体由细铜丝编织而成，中间填低损耗介质。 规格化的。
EXP: 隧道二极管、 体效应二极管、雪崩二极管(用于微波功率源)
b. 微波晶体管:只能工作于微波段的晶体 管,微波双极性晶体管和微波单极性晶体 管(微波场效应管)
2.微波真空器件:微波管
微波真空器件分为两大类:
a. 静态控制微波管.如超高频三、四极管 (工作原理与低频类似,仅对低频电子管 缩小尺寸).
§4.2 速调管
一 微波管工作的基础____ 电子流的能量交 换 对于任何电子管器件和振荡器,从能量的观点 看,它所要解决的基本问题,就是借助于运动的 电子从直流电源获得一定的能量,使电子加速. 转化为电子的动能,然后通过一定的装置将其 动能的一部分转换为高频场的能量(需放大或 振荡的波),在这个过程中,电子起着中间能量 传递着的作用,这一原理是微波管工作的基础.
磁力线 电力线
H01波的场结构
特点:
1 电场和磁场均有轴对称性,不存在极化简并, 但它与E11模式是简并的.
2. 电场只有ψ(角向)向分量,电力线都是横截面 内的同心圆.
3. 切向磁场只有z向分量,所以壁电流为角向 分量(沿ψ)
衰减系数 TE11(H11)
0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01
d<<ι
ι
r R ι<<λ
2r
2R 满足以上条件可认为其中最低模式的电场集中于腔口电 容内,磁场位于环形部分.可用准静态法计算
磁通量为
第四章 微波振荡源
§4.1 概述
微波电子器件包括两大类
1.微波半导体器件:微波二极管(体效应二极管, 雪崩二极管),微波晶体管
微波二极管:能够工作于微波波段的各种半导 体二极管
b. 动态控制微波管 EXP 速调管、行波管.其原理与“静 态控制”完全不同
微波管与微波半导体器件是两种性质完全不 同的微波电子器件，比较:
微波管: 优点：频率高,功率大,增益高,频带 宽.缺点：体积大制造工艺复杂,成本高
微波半导体器件: 体积小,重量轻,寿命长,制 作工艺简单,成本低.但频率低,功率不易提高.
同轴线是双导体系统,可以存在TEM波,又可 以存在TE,TM波型.TEM波是基波,没有截止 现象,它的传输不受频率的限制.当同轴线的 横向尺寸过大时,将出现高次模,TM波和TE 波.
d D
一.同轴线中的TEM波 1.场表达式
电磁场所满足的方程与二维静电场,稳恒磁场 的方程一致,所以场分布也应一致. 设:沿z向传播的场分量为:
2.5 微带传输线简介 绝缘介质
带状线 导体 导体：铜 介质：氧化铝、铁氧体等
微带线
带状线的波型由同轴线演变得到(P302) 微带线的波型由双根传输线演变得到(P301) 所传输的波行为TEM波
微带线不是用来作为传输电磁波能量的馈线， 他的主要用途是制作微波集成电路的元、部 件
第三章 微波谐振腔 随着频率的升高,低频LC振荡电路出现下列 缺点: 1. 损耗增加,导致品质因数降低。 2. 尺寸变小。